基于不同開孔位置RC梁受彎性能試驗*

宋 力，辛 宇，樊 成

(大連大學 材料破壞力學數值試驗中心，遼寧 大連 116622)

近年來隨著經濟的高速發展，建筑物的結構形式日趨多樣化和復雜化，而與之相應的各種輔助設施(通風、供暖、消防等)系統龐大而又復雜[1].在梁下走管線的傳統設計不僅會增加建筑物的實際高度，而且會提高建筑成本.與此同時，目前我國的建筑設計提倡綠色、高效、環保.因此，急需一種全新的設計方案，保證建筑物的有效利用.建筑物的層高是由結構高度、設備管道高度和樓層凈高等附屬高度組成[2].梁腹部開孔可以使各種管線設施從梁中的預留孔洞中穿過，這樣不僅可以減輕構件自重，而且可以提升空間高度，從而有效節約工程的總體造價.

研究資料[3]表明，孔洞位置影響梁的受彎性能.目前開孔梁的研究大多只是單純的模擬計算或者單純的試驗分析.本文將物理試驗與數值模擬相結合，探究開孔水平位置對梁構件的承載能力以及梁破壞時截面裂縫的開展情況產生的影響.

1 RC梁的物理試驗

1.1 梁的模型尺寸

試件模型為混凝土簡支梁，包括在梁腹部純彎段開設單孔的構件、梁腹部剪彎段開設單孔的構件以及實腹梁構件.梁的截面尺寸為120 mm×200 mm，跨度為1.8 m，混凝土保護層厚度為25 mm.梁截面下部配有受拉筋，其標準為2根B14 mm，所配箍筋標準為14根B6@120 mm；梁截面上部配有受壓筋，其標準為2根B10 mm；在梁純彎段和剪彎段開有直徑為70 mm的圓孔.不同RC梁的幾何尺寸、具體參數和配筋圖如圖1所示(單位：mm).

1.2 試件的制作

所制試件的混凝土強度等級為C30.采用大連金山水泥制造有限公司生產的32.5號普通硅酸鹽水泥，大連宏基集團生產的粒徑為16～31.5 mm的碎石粗骨料，以及中等粒度河砂細骨料，按照水泥、砂子、石子、水的配合比1∶1.8∶3.48∶0.52進行配料[4].混凝土澆筑后，采用振搗棒結合人工插搗成型，并于室溫下自然養護28 d.養護期間利用各種措施進行保濕，保證模板接縫處不致失水干燥.預留3個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試件在相同條件下進行養護以測試混凝土立方體的抗壓強度，不同試件的強度如表1所示.由表1可知，不同試件的平均抗壓強度為35.6 MPa.此外，梁內箍筋為B6光圓鋼筋，其屈服強度為320 N/mm2，極限強度為485 N/mm2；梁上部受壓鋼筋為B10帶肋鋼筋，其屈服強度為506 N/mm2，極限強度為635 N/mm2；梁下部受拉鋼筋為B14帶肋鋼筋，其屈服強度為508 N/mm2，極限強度為646 N/mm2.

采用手搖液壓式千斤頂施加荷載，在大連大學建筑工程學院結構試驗室進行具體試驗加載.圖2為進行簡支梁受彎性能測試時所采用的加載裝置.加載裝置采取兩點集中力對稱加載方式，液壓式千斤頂提供壓力促使梁截面分配荷載，在梁的跨中形成純彎段，從而使得壓力傳感器可以測定相應的荷載值.

表1 不同試件的強度Tab.1 Strength of different specimens

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test loading device

1.3 試驗結果分析

在梁加載試驗中，梁的承載力分為正常使用階段的極限荷載和破壞荷載[7].相關規范中規定：當施加的荷載使跨中最大裂縫寬度達到0.3 mm時，將此時的荷載值作為正常使用階段的極限荷載；梁跨中縱筋屈服時產生屈服位移所對應的荷載為屈服荷載；當受拉主鋼筋處最大垂直裂縫寬度達到1.5 mm時，可認為該構件已經達到承載力極限[8].

表2為在RC梁試驗過程中受力階段的荷載值.由表2可見，B2梁的開裂荷載較B1、B3梁呈現明顯的下降趨勢，而B3梁的正常使用極限荷載、屈服荷載和承載力極限荷載較B1、B2梁均有明顯下降，表明剪彎段開孔對梁的破壞形態具有較明顯的影響.

表2 試件各階段荷載值Tab.2 Load values of specimens at each stage kN

試驗前按照混凝土設計規范中的要求對RC梁進行了正截面承載力計算.B2、B3梁的上弦高度均為65 mm，小于受壓區高度，即整個上弦桿均為受壓區.當進行開孔梁正截面承載力計算時(針對開孔高度小于梁高40%的情況)，其極限承載力與實腹梁承載力的計算公式相同.

不同RC梁的試驗裂縫破壞形態如圖3所示.由圖3可見，B1和B2梁在剪彎段的裂縫分布和走向十分相似，兩者都是在純彎段先產生一條裂縫，區別在于B2梁在孔洞下方首先出現裂縫.此外，B1、B2梁在純彎段受拉區產生的裂縫垂直于梁縱軸線方向，且屬于由彎矩作用產生的正截面破壞，而支座處附近產生的斜裂縫是由梁底彎曲裂縫發展而成，該裂縫會進一步發展至實腹梁頂部，使得材料發生延性破壞.B3梁在孔洞處出現了較多的45°走向斜裂縫，裂縫出現次序和走向與B1和B2梁均不同，裂縫先從底座處萌生并由孔洞方向發展至梁頂部，使得材料沿孔洞周圍發生脆性破壞.

圖3 梁的裂縫破壞形態Fig.3 Crack damage morphologies of beams

2 有限元模型的建立

2.1 材料屬性

σ=(1-dc)Ecε

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2 單元選取

假定鋼筋和混凝土之間粘結良好，不考慮二者之間的相對滑移，本文采用分離式建模方式[11].根據鋼筋和混凝土的不同力學性能采用不同單元進行計算，混凝土單元采用C3D8R單元，即利用八節點六面體三維實體單元進行線性縮減積分，該單元可以將混凝土的開裂、彈性變形和塑性變形等非線性問題進行很好地處理.鋼筋單元采用T3D2單元，每個節點在x、y、z軸上共有三個自由度，且桁架單元只能承受軸力，不能承受彎矩.

2.3 建模結果

圖4為模擬得到的混凝土梁的受拉損傷應力云圖.對比圖4發現，B3梁底部的損傷范圍較大，且支座處附近的混凝土損傷范圍也比B1、B2梁大.與梁純彎段開孔的B2梁試件相比，B3梁孔洞周圍具有較明顯的不同程度混凝土損傷，這與圖3所述的孔洞位置對混凝土開裂的影響規律一致，可見開孔對混凝土梁抗剪能力的影響較大.

圖4 混凝土梁的受拉損傷應力云圖Fig.4 Stress nephograms of tensile damage of concrete beams

圖5 試件的荷載位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of specimens

3 結 論

通過物理試驗和數值模擬對不同類型的開孔RC梁進行對比分析并得出如下結論：

1) 當在純彎段開孔時，梁的開裂荷載較實腹梁相比呈現明顯下降趨勢，但正常使用情況下的極限荷載和屈服荷載下降趨勢不大，孔洞周圍的裂縫變化情況與實腹梁相比也不是很大.當梁孔位置設置合適時，純彎段開孔對梁的承載力影響不大，故可以忽略.

2) 當在剪彎段開孔時，梁正常使用情況下的極限荷載和屈服荷載較實腹梁均呈現明顯的下降趨勢，孔洞周圍應力集中且出現了較多裂縫，易使梁發生較明顯的脆性破壞，故剪彎段開孔對梁的承載力影響較大.針對開孔對剪彎段造成的影響，可以在孔洞周圍加設補強鋼筋，從而提高材料的抗剪能力.